CN116223450B - 一种测量透明液体浓度的仪器和方法 - Google Patents
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Abstract
一种测量透明液体浓度的仪器和方法，所述测量透明液体浓度的仪器，包含一个波长为λ的激光器和一个近红外光激光器；沿着波长为λ的激光传播方向依次设有光学元件组I、第一透镜、倍频晶体、第二透镜、反射镜、分束镜、第三透镜、样品台、沃拉斯顿棱镜和两个成像屏；所述反射镜使波长为λ的激光光路偏离原直线方向，通过所述分束镜，与近红外光激光器发出的激光，汇合成一路。本发明还包括测量透明液体浓度的方法。本发明仪器便宜、便携，可直接观察衍射环环数，测量透明液体浓度；还可在不开封透明液体的前提下对透明液体浓度进行测量，使得测量更为简便。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量浓度的仪器和方法，具体涉及一种测量液体浓度的仪器和方法。
背景技术
透明液体，以酒精为例，其对可见光的吸收值较低，无法通过肉眼分辨浓度，故测量其浓度的方法一直是人们研究的热点。2007年，李嘉等人在计量技术上报道了用近红外技术测定酒精水溶液的方法，在这篇文章中，通过分析其在900 – 2500 nm的近红外波段的吸收，根据模型可预测酒精浓度。之后在2014年，黄佐华等人通过采用全反射的方法测量了不同体积分数的酒精溶液的折射率，以此得到了溶液折射率和体积分数之间的关系，并得出了通过测定溶液折射率预测酒精溶液浓度的方法。随后，在2018年，Haowei Chen等人研究酒精的热致非线性光学性质和激光功率、酒精浓度和位置的关系。但由于这些方法的复杂性，需找寻一种新的测量方法以更直观地表征透明液体的浓度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种测量透明液体浓度的仪器和方法，检测方法简单高效。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种测量透明液体浓度的仪器，包含一个波长为λ的激光器和一个近红外光激光器；沿着波长为λ的激光传播方向依次设有光学元件组I、第一透镜、倍频晶体、第二透镜、反射镜、分束镜、第三透镜、样品台、沃拉斯顿棱镜和两个成像屏；
所述反射镜使波长为λ的激光光路偏离原直线方向，通过所述分束镜，与近红外光激光器发出的激光，汇合成一路；
波长为λ的激光器射出的激光经过光学元件组I后转为偏振方向和倍频晶体适配的线偏振光。
倍频晶体，又称BBO，一种非线性负单轴晶体，其在400 nm至3500 nm之间均可实现相位匹配，完成倍频，使得输出激光波长减半。通过将其应用于光路之中，可将经过倍频晶体之后的部分激光的波长降为了λ/2，并且偏振方向旋转90度（残余的波长λ的激光的偏振方向保持不变），经过分束镜整合，三个波长的激光在经透镜聚焦之后共同照射到了样品内部，进而形成衍射环图案，而在经沃拉斯顿棱镜分离之后，其衍射环图案分别呈现在左右两个不同成像屏上，可直接观察到红外光激发的相位调制现象。由于不同浓度的透明液体产生的衍射环数量不一样，故可通过此方法在不接触透明液体的条件下直接测得其浓度。
沃拉斯顿棱镜，由两个光轴互相垂直的直角棱镜组成，由于第二棱镜的光轴与第一棱镜相垂直，激光在穿透两棱镜的分界面后会完成o光和e光之间的转换，进而使得两偏振方向相互垂直的光束按一定的角度分开传播，达到按激光波长分光的目的。
交叉相位调制是由于非线性介质中的一束光与另一束光的相互作用导致的该光的相位变化。本发明测量透明液体浓度的仪器通过近红外激光和λ波长与倍频后λ/2波长的激光在透明液体中的交叉相位调制效应检测透明液体浓度。通过在BBO前面加上偏振片和1/2波片，改变λ波长激光的偏振方向使其与BBO适配，BBO出射光的偏振方向可正好沿水平和竖直方向，通过调整光学元件组I、BBO及沃拉斯顿棱镜之间角度关系，可在沃拉斯顿棱镜之后观察到λ和λ/2两个波长的衍射环图像。λ和λ/2两个波长的衍射环图像分别成像在两个成像屏上，λ/2波长激光波长更短，其衍射环数量更多（λ波衍射环的两倍），分辨透明液体浓度的分辨率更高，一般统一统计λ/2波长激光的成像；如果选择统一统计λ波长激光的成像也是可行的，或者同时统计两个波长激光的成像，以便提高精确度。
透明液体可以为纯物质是透明液体的溶液，如酒精；也可以是纯物质不为透明液体，但溶液是透明液体的情况，如氯化钠溶液。
通过采用上述技术方案，可利用近红外激光和λ波长激光在透明液体中的交叉相位调制效应检测透明液体浓度。
优选地，波长为λ的激光和波长为λ/2的激光中至少一个属于可见光。
可见光便于观察，该条件下可用肉眼直接观测成像屏中出现的图像，更优选λ为380~800 nm。
优选地，所述光学元件组I包括一个偏振片和一个1/2波片。
一般激光器射出的主要为线偏振光，加上一个偏振片可滤去激光器射出的非该偏振方向的激光，再加上1/2波片，可旋转激光的偏振方向至与倍频晶体相适配的方向。具体的偏振片、1/2波片的位置和角度根据实际情况调节即可。
光学元件组I也可与激光器整合为一体，或为其他形式，只要能够实现让适配的线偏振光射入倍频晶体的方案都是可行的。
通过采用上述技术方案，可改变λ波长激光的偏振方向使其与BBO适配。
优选地，待测透明液体装在透光器皿中，放置在样品台上。
所述透光器皿，应该对近红外光、可见光都具有较好的透过性，通过采用上述技术方案，能减少对测试结果的干扰。
优选地，所述第三透镜汇聚激光的焦点，与透光器皿中的光程中点重合。
通过采用上述技术方案，得到的衍射图样较为明显清晰，便于统计。
优选地，所述透光器皿的光程为2-10 mm。
通过采用上述技术方案，得到的衍射图样较为明显清晰，便于统计。
优选地，包括给倍频晶体散热的装置。
低功率λ波长的激光经聚焦透镜聚焦至BBO上之后，为保证不打坏倍频晶体，对BBO进行散热（如采用水冷装置），通过采用上述技术方案，确保其内部温度保持在适宜温度。
本发明测量透明液体浓度的方法，采用本发明所述的测量透明液体浓度的仪器，测量方法包括以下步骤：
（1）将透明液体加入透光器皿中，放置在样品台上；
（2）开启两激光器，确认成像屏中出现清晰的衍射图像；
（3）遮挡近红外激光，使近红外激光不进入透光器皿，确认成像屏中不出现衍射环；
（4）不再遮挡近红外激光，使近红外激光进入透光器皿，成像屏中出现由小变大再塌缩的衍射图像，记录衍射图像最大时衍射环的数量。
通过采用上述技术方案，可实现对最大衍射图像的观察。
同时开启两个激光器时，由于没有遮挡近红外激光，透明液体会由于对其的吸收产生热量，此时的衍射环受热效应影响会出现塌缩现象，成像屏上会出现塌缩后的衍射环。遮挡近红外激光之后，由于其对其它波长激光无吸收，此时只会呈现λ和λ/2波长的高斯光斑，无衍射环。
遮挡近红外激光之后去除遮挡再次照射，成像屏上出现衍射图像，衍射图像随时间会出现由小变大再塌缩的变化，在扩张到塌缩的中间过程中，衍射环在塌缩之前会出现扩张至最大的情况，此时的环数即为衍射环最大时的环数，衍射环最大时的环数与透明液体浓度呈现出相关性。
优选地，准备一组成分相同浓度不同的标准透明液体，采用所述测量方法，得到同一测量条件下，各浓度对应的衍射图像最大时衍射环的数量，即标尺。
通过采用上述技术方案，能获得该条件下透明液体浓度与衍射图像最大时衍射环的数量关系。
优选地，将测量透明液体样品的得到的衍射图像最大时衍射环的数量与标尺对比，获得透明液体样品的浓度。
通过采用上述技术方案，能获得透明液体样品的浓度。
优选地，测量透明液体样品时的测量条件，与测量标准透明液体时相同。
通过采用上述技术方案，能获得透明液体样品的浓度。
同一样品在激光器功率增强时，最大衍射环环数增加，为限制变量，测试同一批液体时，应该保证其激光光强不变，从而保持“环数和浓度呈线性变换”的关系。激光器功率的选择上，下限要求应使成像屏能显示出清晰的图像，上限要求不损坏仪器（特别是倍频晶体），能同时满足以上两个要求的功率都是可行的。
本发明原理：可见光波段内，由于透明液体吸收值较低，其液体呈透明态，无法通过人眼或可见光分辨其浓度，其吸收值主要集中于近红外波段，不同浓度下对于近红外波长激光的吸收不同，可产生不同空间自相位调制现象。波长为近红外的激光在穿透透明液体后，由于对其光线的吸收产生热效应，导致溶液内部热量的高斯分布，折射率沿激光中心向外发散并梯度分布，形成不同相位差；此时另一束波长为λ的光在经BBO之后变成两束波长分别为λ和λ/2、偏振方向相互垂直的光，再与波长为近红外的激光通过同轴共焦共同照射在样品之上，波长为λ和λ/2的激光各自中心的光束分别和各自边缘的光束发生干涉，产生衍射环，该衍射环数量与透明液体浓度成正比，通过这一相关性，可测量透明液体浓度。
本发明的有益效果在于：
（1）本发明可利用热效应导致透明液体溶液中折射率的改变，从而形成衍射图样，通过两个波长激光的衍射图样环数和透明液体浓度的相关性，可直观观察溶液内部折射率的改变，进而快速判断溶液中透明液体的浓度；
（2）本发明仪器便宜、便携，可直接观察衍射环环数；
（3）本发明测试方法均为物理过程，不涉及化学反应，具有较好的安全性；
（4）本发明方法可在不开封透明液体的前提下对透明液体浓度进行测量，使得测量更为简便。
（5）本发明方法在通过两束波长互相呈两倍关系的探测光对吸收了近红外激光的透明液体进行探测，产生的衍射环数目互为两倍关系，可相互印证，对探测结果的环数和浓度之间关系精确度更高。
附图说明
图1是本发明实施例的测量透明液体浓度的仪器结构以及工作光路示意图。
图2是本发明实施例测试不同浓度的标准透明液体得到的衍射图像最大时的衍射图像；其中，a是纯水（酒精体积分数为0%）的衍射图像，b是体积分数为20%的酒精溶液的衍射图像，c是体积分数为40%的酒精溶液的衍射图像，d是体积分数为60%的酒精溶液的衍射图像，e是体积分数为80%的酒精溶液的衍射图像，f是纯酒精（酒精体积分数为100%）的衍射图像。
图3是本发明实施例酒精浓度与交叉相位调制衍射图像环数之间的关系图。
附图标记：10-λ波长激光器，11-偏振片，12-1/2波片，13-第一透镜，14-倍频晶体，15-第二透镜，16-反射镜，20-近红外光激光器，21-分束镜，22-第三透镜，23-样品，24-沃拉斯顿棱镜，25-成像屏。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
本发明实施例所使用的仪器元件，均通过常规商业途径获得。
实施例
本实施例测量透明液体浓度的仪器，包含一个波长为800nm(λ)的激光器和一个波长为1550 nm（近红外光）的激光器；沿着波长为λ的激光传播方向依次设有偏振片、1/2波片、第一透镜、倍频晶体、第二透镜、反射镜、分束镜、第三透镜、样品台、沃拉斯顿棱镜和两个成像屏；
所述反射镜使波长为λ的激光光路偏离原直线方向，通过所述分束镜，与波长为1550 nm的激光器发出的激光，汇合成一路。
波长为λ的激光器射出的激光经过偏振片和1/2波片后转为偏振方向和倍频晶体适配的线偏振光。
测量时待测透明液体装在透光器皿中，放置在样品台上。
所述第三透镜汇聚激光的焦点，与透光器皿中的光程中点重合。
所述透光器皿的光程为10 mm。
所述测量透明液体浓度的仪器中包括给倍频晶体散热的装置。
本实施例测量透明液体浓度的方法，采用本实施例的测量透明液体浓度的仪器，测量方法包括以下步骤：
（1）将透明液体加入透光器皿中，放置在样品台上；
（2）开启两激光器，确认成像屏中出现清晰的衍射图像；
（3）遮挡1550 nm激光，使1550 nm激光不进入透光器皿，确认成像屏中不出现衍射环；
（4）不再遮挡1550 nm激光，使1550 nm激光进入透光器皿，成像屏中出现由小变大再塌缩的衍射图像，记录衍射图像最大时衍射环的数量。
标尺的获得：
（1）准备21个样品瓶，分别加入体积为0.00、0.15、0.30、0.45、0.60、0.75、0.90、1.05、1.20、1.35、1.50、1.65、1.80、1.95、2.10、2.25、2.40、2.55、2.70、2.85、3.00 mL的酒精，再分别加入体积为3.00、2.85、2.70、2.55、2.40、2.25、2.10、1.95、1.80、1.65、1.50、1.35、1.20、1.05、0.90、0.75、0.60、0.45、0.30、0.15、0.00 mL的去离子水，配成体积分数分别为0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、100%的系列浓度的酒精（溶液），每个样品3 mL；
（2）采用所述测量方法，给激光器选择合适的功率（使成像屏中能出现清晰的衍射图像）进行测试，得到同一测量条件下，各浓度对应的衍射图像最大时衍射环的数量，即标尺。本实施例中采用的激光器功率为50 mW，统一统计λ/2波长激光的成像。
测试透明液体样品时，将测量透明液体样品的得到的衍射图像最大时衍射环的数量与标尺对比，获得透明液体样品的浓度。测量透明液体样品时的测量条件，与测量标准透明液体时相同。
系列酒精（溶液）的衍射图像如图2所示：其中，a是纯水（酒精体积分数为0%）溶液的衍射图像，b是体积分数为20%的酒精溶液的衍射图像，c是体积分数为40%的酒精溶液的衍射图像，d是体积分数为60%的酒精溶液的衍射图像，e是体积分数为80%的酒精溶液的衍射图像，f是纯酒精（酒精体积分数为100%）溶液的衍射图像。
根据交叉相位调制衍射图像获得的酒精溶液浓度与衍射图像环数的关系如图3中所示。
将待测酒精溶液（配置得到的体积分数为60%的酒精溶液）装入比色皿中，然后，采用衍射装置在波长为800 nm（λ）及1550 nm（近红外光）激光下进行测定，得衍射环数为80环（λ/2波激光的成像），根据衍射环环数和酒精体积分数之间关系图（图3），得到待测酒精溶液的体积分数为60%。相比于其它方法测量酒精浓度，该装置更便携，实验方法简单，且可在不开封酒精的前提下即刻分析。
对比例1
本对比例的测量方法与实施例相同，但不开启近红外光激光器，采用波长为400nm的激光单独进行衍射实验。
单独使用波长为400 nm的激光照射酒精溶液时，由于其对这波长为400 nm的激光吸收较弱，无法产生热效应使得折射率梯度分布，无衍射图象出现。
对比例2
本对比例的测量方法与实施例相同，但不开启近红外光激光器，采用波长为800nm的激光单独进行衍射实验。
单独使用波长为800 nm的激光照射酒精溶液时，由于其对这波长为400 nm的激光吸收较弱，无法产生热效应使得折射率梯度分布，无衍射图象出现。
对比例3
本对比例的测量方法与实施例相同，但不开启波长为λ的激光器，采用波长为1550nm的激光单独进行衍射实验。
单独使用1550 nm的激光照射酒精溶液时，由于其波长不处于可见光波段范围内，无法直接使用幕布观察得到，需额外使用红外探头得以观察。
Claims (10)
1.一种测量透明液体浓度的仪器，其特征在于，包含一个波长为λ的激光器和一个近红外光激光器；沿着波长为λ的激光传播方向依次设有光学元件组I、第一透镜、倍频晶体、第二透镜、反射镜、分束镜、第三透镜、样品台、沃拉斯顿棱镜和两个成像屏；
所述反射镜使波长为λ的激光光路偏离原直线方向，通过所述分束镜，与近红外光激光器发出的激光，汇合成一路；
波长为λ的激光器射出的激光经过光学元件组I后转为偏振方向和倍频晶体适配的线偏振光；
波长为λ的激光和波长为λ/2的激光中至少一个属于可见光。
2.根据权利要求1所述的测量透明液体浓度的仪器，其特征在于，所述光学元件组I包括一个偏振片和一个1/2波片。
3.根据权利要求1所述的测量透明液体浓度的仪器，其特征在于，待测透明液体装在透光器皿中，放置在样品台上。
4.根据权利要求3所述的测量透明液体浓度的仪器，其特征在于，所述第三透镜汇聚激光的焦点，与透光器皿中的光程中点重合。
5. 根据权利要求3所述的测量透明液体浓度的仪器，其特征在于，所述透光器皿的光程为2-10 mm。
6.根据权利要求1~5中任一项所述的测量透明液体浓度的仪器，其特征在于，包括给倍频晶体散热的装置。
7.一种测量透明液体浓度的方法，其特征在于，采用权利要求1~6中任一项所述的测量透明液体浓度的仪器，测量方法包括以下步骤：
（1）将透明液体加入透光器皿中，放置在样品台上；
（2）开启两激光器，确认成像屏中出现清晰的衍射图像；
（3）遮挡近红外激光，使近红外激光不进入透光器皿，确认成像屏中不出现衍射环；
（4）不再遮挡近红外激光，使近红外激光进入透光器皿，成像屏中出现由小变大再塌缩的衍射图像，记录衍射图像最大时衍射环的数量。
8.根据权利要求7所述的测量透明液体浓度的方法，其特征在于，准备一组成分相同浓度不同的标准透明液体，采用所述测量方法，得到同一测量条件下，各浓度对应的衍射图像最大时衍射环的数量，即标尺。
9.根据权利要求7或8所述的测量透明液体浓度的方法，其特征在于，将测量透明液体样品的得到的衍射图像最大时衍射环的数量与标尺对比，获得透明液体样品的浓度。
10.根据权利要求9所述的测量透明液体浓度的方法，其特征在于，测量透明液体样品时的测量条件，与测量标准透明液体时相同。
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